入墙式扬声器的指向性测量（译文）

Lili匠

Directivity Measurement of In-Wall Loudspeakers

Christian Bellmann1, Ruben Hauschild1, Mattia Cobianchi2

1KLIPPEL GmbH, Germany, 2Bowers & Wilkins, UK

引言

扬声器应该放在哪里？理论上来看，答案可能显而易见，但实际上，在最佳聆听位置和客厅内部布置之间找到一个很好的折衷方案可能会成为一个有争议的问题，对此，入墙式扬声器是一个非常聪明的主意。扬声器安装在墙壁或天花板中，几乎不可见。这可以提供最佳的聆听体验，并且不会干扰室内设计。

多年来，入墙式扬声器的应用、功能和音质都在不断提升。最开始通常在公共场所（超市）或公共交通工具（飞机、地铁）应用中的单个宽带换能单元，只具有中等音质，而如今高品质多路入墙式扬声器已成为普通扬声器系统的重要替代品。

此外，在专业应用（电影院、剧院）中，入墙式设置变得越来越重要，并扩展到具有数百个分布式换能单元的平面阵列，用于现代3D声音再现和使用Ambisonics 和基于对象算法的虚拟现实。

图1：Bowersand Wilkins CWM 8.5D

  这些应用也为测量过程定义了新的要求。指向特性是一个特别重要的因素，因为扬声器发出声音的方向会极大地影响与听音室的交互和聆听体验。音频系统开发人员需要幅度和相位都准确的 3D信息来验证他们的设计并调整DSP。此外，HiFi 社区中日益增长的技术兴趣和知识正在推动对准确 3D数据的需求。如今，新的免费模拟软件和可听化工具几乎让每个人都有机会进行简单的声学模拟。

测量挑战

如今，指向性测量仍然是一个挑战。传统上，这些测量必须在自由场和远场条件下进行，可以在消声室中实现宽频率范围。但是对于低频（f<100Hz），大多数测试室都没有足够的阻尼，从而导致系统测量误差。此外，扬声器和麦克风之间的长距离(r>4m)几乎不可能在高频(f>10kHz)下进行准确的相位测量，因为温度的微小偏差也会影响声速和传播延迟。为应对这些限制，被测设备(DUT)的响应可通过在声场中多个位置（通常在一个球面上）移动麦克风来直接捕获。实际应用中可以使用麦克风阵列或转盘来实现。

入墙式扬声器需要在半空间(2π)中进行测量，方法是将DUT安装在半消声室的地面或在全消声室中使用独立式障板。不幸的是，尺寸有限的障板可能会因其边缘衍射和向后辐射的声音干扰而产生新的测量误差。使用IEC推荐的矩形障板可以减少但不能避免这些误差。

全息指向性测试

由于上述这些已知问题，Klippel使用近场扫描仪系统(NFS)建立了一种新的指向性测试方法来克服这些问题。该系统旨在测量几乎任何声学环境（例如办公室）中的扬声器系统。机械臂将麦克风沿着被测扬声器近场中的两个嵌套层进行移动定位，而被测设备保持在扫描仪中心的固定位置上。这简化了重型设备的处理，并确保扫描过程中恒定的房间激励和反射。

基于这种近场测量，可以使用波动方程（球谐函数、汉克尔函数）的解来识别从扬声器辐射的声场。

由于沿双层扫描，直达声分离（Klippel 的专利技术）使用额外的相位信息来检测声波的方向，并可以从扬声器的直达声中去除所有房间反射。这对整个声场（近场和远场）的完整和全面描述提供了一个新的测量精度级别。此外，它还可以在高频 (f>10kHz) 下提供精确的相位数据，并且对反射等外部影响具有最大的鲁棒性。

全息测量方法也适用于半空间测试 (2π)。半空间数据可以通过不同的扫描解决方案获取（表1）。对于小型扬声器，可以使用多功能扫描工作台，其声学测量还可以轻松地与电气和机械测量相结合。较大的设备则可以使用附加障板的近场扫描仪进行测量，同时支持定制障板。

表1：Klippel针对半空间测试的扫描解决方案

  我们从基础物理学中知道，平面上的反射可以通过声源的镜像来建模(图2)。

图2：平面上的声反射

  然后可以通过仅使用与此对称条件匹配的球谐函数子集来对这个虚拟对称声场进行建模（图3）。

图3：针对障板对称的球谐函数子集

  最后，再应用全息波扩展。此外，直达声分离开辟了新的可能性（图4），由障板引起的测量误差（衍射和向后辐射的声音）可以从扬声器的直达声中识别出来并消除，因为它们在扫描表面之外。这样就产生了完美的半空间数据，就像在无限障板中测量一样。

图4：半空间测量中的直达声分离

测量示例

为了说明这种测试方法的性能，在Bowers& Wilkins CWM 8.5D上进行了相关测量（图1）。CWM 8.5D是一款高性能紧凑型入墙式扬声器，采用了B&W旗舰800D3系列的技术。它使用了一个7"中低音锥盆换能单元和一个1"菱形球顶高音扬声器。由于锥盆使用了专有的Continuum技术， 7"中低音锥盆可以从相对较低的频率以受控和渐进的方式进行分割振动。因此，扬声器在整个通带上保持有效辐射面积和再现波长之间的比率几乎恒定。这产生了从1.5到15kHz之间几乎恒定且非常平滑的水平方向性。这种动态在图5中的 -6dB 等值线中可见。

图5：远场特性左上：参考到2.83V@1m的灵敏度和电阻抗；右上：参考到2.83V的声功率和方向性指数；  底部：水平和垂直归一化到轴上频率响应的等高线图

  阻尼部件在Continuum复合结构中的精心优化和用于代替防尘帽的反共振泡沫塞也确保了与分割模式相关的非线性失真非常低。CWM 8.5D的高音扬声器有非常低的共振频率，在3.5kHz左右分频，因此中低音再现了扬声器的大部分关键中频，并与高音扬声器的指向性无缝融合。高音扬声器的低共振频率还允许高音扬声器通带中的超低失真，同时CWM 8.5的菱形球顶保证第一个轴对称高Q分割模式在大约72kHz的可听范围内下降近两个倍频程。

测量设置

由于设计原因，CWM8.5D需要特定的安装方式，所以需要使用定制的障板将扬声器安装在 NFS旋转台上。扫描是在一个普通的办公室里进行的，大约有1000个测量点，总共需要大概两个小时。球面波扩展是按照扩展阶数N=25计算的，这足以表征全频段 (20Hz - 20kHz) 上的整个声场。在识别过程中使用原始测量数据的冗余信息自动自检精度。

结果

最后，CWM 8.5D的指向性可以通过检查传统的远场测量（频率响应、声功率和指向性指数）或通过CTA2034Spinorama等简化特性进行分析。此外，可以分析新的近场特性，例如指定聆听域的SPL分布。

结果显示±50°非常一致的水平覆盖范围，在1.5kHz以上具有几乎恒定的6dB方向性指数。图6中的CTA2034 Spinorama显示轴上频率响应的偏差约为±3dB，在聆听窗口内甚至更平滑。

图6：参考到2.83V @ 1m 的CTA2034 Spinorama

全面全息参数还包括从近场到远场的能量转移。因此，可以在任何距离（包括设备的近场）计算精确的声压场。图7显示了CWD8.5D在2kHz时的声压分布。这种准确的3D数据可用于声学仿真软件，用于预测听音室或任何其他应用（公共交通、建筑物中的警报系统等）中扬声器的性能。

图7：2kHz时近场中的空间声压分布

结论

全息测量方法为换能单元工程师和音频系统设计师提供了全面、易于解读的数据。HiFi爱好者也可能对此感兴趣，激发他们去了解好的音质，并愿意为此付费。因此，客观测试是除了感知评估之外的一个重要标准。此外，该测量会生成房间模拟工具（如EASE）在声学模拟空间内模拟不同测试场景（包括不同扬声器放置）所需的数据，非常适合专业级或消费级应用。